DE3907460A1 - Industrie-brenner fuer gas und warmluft - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Wärmeübertragung von der Verbrennungsluft auf das Brenngas zum Zweck der Stabilisierung des Gas-Luft-Mischungsverhältnisses an mit Warmluft betriebenen Gasbrennern, insbesondere an impulsgesteuerten, Ein/Aus-betriebenen Brennern.

Bekannt ist, an Industrie-Feuerungen einen Teil der im Abgas enthaltenen Restwärme auf die Verbrennungsluft zu übertragen, was sowohl regenerativ wie rekuperativ erfolgen kann, und so diesen sonst verlorenen Energiebetrag dem Verbrennungsprozeß wieder zuzuführen.

Der Mengendurchfluß eines erwärmten Gases durch ein gegebenes Brenner- bzw. Rohrsystem ist wegen der mit der Gastemperatur veränderlichen Dichte temperaturabhängig.

Ausgehend von der BERNOULLISCHEN Gleichung

folgt für den Mengenausfluß aus einem widerstandsbehafteten System:

Soll der Mengendurchsatz bei veränderlicher Temperatur konstant gehalten werden, muß der den Strom treibende Druck proportional zur absoluten Temperatur des Gases verändert werden.

Wird angestrebt, in einer Feuerung das Mischungsverhältnis von Brenngas und Luft und damit den Sauerstoff-Gehalt des Abgases konstant zu halten - unabhängig von der veränderlichen Temperatur eines der Gasströme -, müssen zur Konstantregelung des Mischungsverhältnisses der Komponenten entweder der Gasdruck oder der Luftdruck der jeweiligen Temperatur angepaßt werden.

Hierzu sind verschiedene Verfahren bekannt geworden, mit denen die sog. Temperatur-Kompensation einer Veränderung des Gas/Luft- Mischungsverhältnisses durchgeführt wird.

Nach Messung des Luftdrucks und der Lufttemperatur werden entweder der Luftdruck der Lufttemperatur entsprechend erhöht oder der Gasdruck bei Erhöhung der Lufttemperatur erniedrigt. Der hierzu erforderliche meß- und regeltechnische Aufwand ist erheblich. Erforderlich sind Meßfühler für Temperatur und Druck, ein Prozeßrechner, ein Regler und ein den Mediendruck veränderndes Stellorgan, oder statt des Rechners ein Verhältnisregler zur Konstanthaltung des Verhältnisses der gemessenen Mengenströme vor Eintritt in den Wärmetauscher.

Auch ist ein System zur Anpassung des Gasdruckes an die veränderte Lufttemperatur bekannt geworden, bei dem ein Vergleichsmengenstrom über einen sog. Pilot-Rekuperator unabhängig von der Leistungssteuerung der Brenner meßtechnisch erfaßt wird und als lediglich temperaturabhängige Größe das Gasdruck-Stellorgan beeinflußt.

Allen bekannt gewordenen Systemen haftet der Mangel an, aufwendig und störanfällig zu sein und dem jeweiligen System der Anlagensteuerung angepaßt werden zu müssen, was u. U. einen erheblichen Aufwand an Planungs-, Justierungs- und Wartungsarbeit erforderlich macht.

Wird hingegen der Gasstrom ebenso wie der Luftstrom erwärmt, ist das Verhältnis der Mengenströme zueinander temperaturunabhängig, es bleibt bei konstanten Vordrucken der Medien konstant, wenn dafür gesorgt wird, daß die wesentlichen - den Durchfluß bestimmenden - Druckverluste der beiden Medien der gleichen Temperaturabhängigkeit unterworfen werden.

Dies wäre am einfachsten dadurch zu lösen, daß das Brenngas ebenso wie die Verbrennungsluft durch den gleichen Abgas- Wärmetauscher, jedoch in separaten Rohrsystemen geleitet und erwärmt wird.

Dies ist jedoch aus sicherheitstechnischen Gründen unvertretbar. Auch besteht die Gefahr, daß das Gas thermisch zersetzt wird, wenn aus unkontrollierten Gründen die Temperatur unzulässig hoch ansteigt.

Deshalb wird erfindungsgemäß ein Wärmetauscher in jedem Brenner installiert, der einen Teil der in der Verbrennungsluft enthaltenen fühlbaren Wärme auf das Brenngas überträgt. Dabei ist bedeutsam, daß die Gasaustrittsdüsen hinter dem Wärmetauscher für den ausfließenden Mengenstrom bestimmend sind, d. h. daß sie den wesentlichen Teil des Gesamt-Durchflußwiderstands darstellen; denn nur sie sind von allen hintereinander liegenden Teilwiderständen des gasführenden Leitungssystems von Gas erhöhter Temperatur durchflossen. Nur in ihnen kann der Strom in Abhängigkeit von der Gastemperatur gemäß Gleichung (2) verändert werden. Hierzu ist eine möglichst genaue Dimensionierung der Austrittsdüsen erforderlich. Ihr Querschnitt muß deutlich kleiner sein als jeder andere Querschnitt im einspeisenden System.

Da das Brenngas mit Rücksicht auf die Gefahr der Crackung und Rußbildung nicht so hoch wie die Verbrennungsluft erwärmt werden kann, bietet sich die Erwärmung durch Wärmetausch mit der Brennluft an, weil somit sichergestellt werden kann, daß die Gastemperatur kritische Werte nicht überschreitet. Die damit verbundene unvollständige Anpassung der Medienströme an die Höhe der Luftvorwärmung kann in Kauf genommen werden, wie die folgende Rechnung zeigt:

mit L _o = zur stöchiometrischen Verbrennung von 1 m³ _n Gas notwendige Luftmenge, g = Luftfaktor.

Entsprechend der Gl. (2) folgt für die Abhängigkeit von den Gas- bzw. Lufttemperaturen

und dies ist bei gleichbleibenden Vordrucken und unveränderten Gas- und Systemeigenschaften

dieser Wert sollte möglichst ≅1 sein.

Toleriert man eine Variation von 10%, ist λ (T)/λ (T _o)=0,9, da T _G<T _L. T _G=0,81 T _L.

Sei T _L=400°C=673 K, sollte T _G=545 K=272°C sein, was technisch leicht realisiert werden kann.

Sei g (T _o) eingestellt auf 1,20, also ca. 4% O₂ beim Kaltstart der Ofenanlage, so ist nach Lufterwärmung auf 400°C der Luftfaktor noch 1,08, also der O₂-Gehalt auf nur 2% gesunken.

Schwanken die Lufttemperaturen während des Ofenbetriebs um 100 K, so ist

d. h., der O₂-Gehalt ändert sich bei der vorerwähnten Grundeinstellung um 0,1%, eine vernachlässigbare Größe.

Um innerhalb des Brennergehäuses genügend Wärmeaustausch- Fläche installieren zu können, wird erfindungsgemäß das gasführende Rohr als Wärmetauscher-Rohr ausgebildet, mit Rippen, Stiften oder Wellen versehen, und es wird ein weiteres luftführendes Rohr zentral und koaxial durch das Gasrohr in den Brennraum geführt, so daß seine Hüllfläche, gegebenenfalls auch mit flächenvergrößernden Elementen bestückt, die gesamte Wärmeübertragung vergrößert.

In dieses zentrale Rohr können in Nähe seines stromab gelegenen Endes Gasdüsen müden, so daß das koaxial austretende Gas/Luftgemisch unmittelbar am Rohraustritt am Verbrennungsvorgang teilnehmen kann.

Wird das zentrale Luftrohr so dimensioniert, daß ein Anteil an der Gesamtluftmenge in Höhe von 25 bis 50% durchfließt, der sich erst stromab mit dem am Kopf austretenden unterstöchiometrischen Gas/Luftgemisch vermengt, so kann hierdurch eine Verbrennung in zwei Stufen realisiert werden, die erfahrungsgemäß die Flammentemperatur und damit die schädliche Stickoxid-Bildung reduziert.

In der Fig. 1a ist ein erfindungsgemäßer Gasbrenner im Längs- und im Querschnitt dargestellt.

Die durch das Rohr 1 einfließende vorerwärmte Luft strömt teils durch das Brennerrohr 2 an dem mit Rippen 9 versehenen Gasrohr 3 vorbei, teils durch das Zentralrohr 4 in den Brennraum 5 ein. Die durchtretende Luftmenge ist bei gleichbleibendem Vordruck eine Funktion des Durchfluß-Widerstandes, der Austritts-Querschnitte und der Temperatur. Das durch das Rohr 6 fließende Brenngas wird im Rohr 3 erwärmt und strömt über die Düsen 7 in den Brennraum 5 ein, wo es sich mit dem die Stauscheibe 8 durchfließenden Luftstrom vermengt und verbrennt. Bei gleichbleibendem Vordruck ist der Gas-Mengendurchsatz ebenfalls eine Funktion des Austritts-Widerstands, des Austritts-Querschnitts und der Temperatur.

Da die Gastemperatur der Lufttemperatur folgt, bleibt das Verhältnis der austretenden Mengenströme nahezu gleich, weitgehend unabhängig von der Vorwärmtemperatur der Luft. Mithin bleibt ein einmal durch Vordrucke und geometrische Konstruktionsparameter vorgegebenes Mischungsverhältnis von Gas und Luft trotz Änderungen der Luft-Vorwärm-Temperatur unverändert, wenn nur der Gesamtquerschnitt der Düsen 7 deutlich kleiner ist als jeder andere von der Einmündung in das Rohr 6 liegende Leitungsquerschnitt.

In Fig. 1b ist ein gleicher Brenneraufbau, wie in Fig. 1a dargestellt, jedoch ist das wärmetauschende Gasrohr 3 zur Vergrößerung seiner Oberfläche als Wellrohr ausgebildet.

Fig. 2 zeigt eine Variante der in Fig. 1 dargestellten Ausführung bei der nicht das Zwei-Stufen-Prinzip realisiert ist. In den zentralen Luftstrom wird durch Düsen 10 Brenngas eingeleitet, das direkt am Austritt verbrennt.

Fig. 3 zeigt eine andere konstruktive Lösung des erfindungsgemäßen "Temperatur-Kompensations"-Prinzips durch Teilvorwärmung auch des Brenngasstromes, bei dem ein Mehrröhren-Rekuperator die Gasvorwärmung ermöglicht.

Claims (6)

1. Gasbrenner für den Betrieb mit vorerwärmter Luft, bei dem Luft und Brenngas am Brennerkopf nach Austritt aus mengenstrombestimmenden Düsen gemischt und gezündet werden, dadurch gekennzeichnet, daß das Brenngas durch einen im Brenner integrierten Wärmetauscher vor Austritt durch die Gasdüsen von der vorerwärmten Luft soweit erwärmt wird, daß das Mischungsverhältnis von Gas und Luft unabhängig von Änderungen der Lufttemperatur annähernd konstant bleibt.

2. Gasbrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasaustrittsdüsen den wesentlichen Teil des gesamten durchflußbestimmenden Strömungswiderstands darstellen.

3. Gasbrenner nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher eine durch Rippen oder Stifte oder Wellungen vergrößerte Oberfläche besitzt.

4. Gasbrenner nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein zusätzliches luftführendes Rohr achsparallel durch das gasleitende Rohr geführt ist.

5. Gasbrenner nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß gasführende Bohrungen in das innere Luftrohr münden.

6. Gasbrenner nach den Ansprüchen 1, 2 und einem oder mehreren der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Gas/Luft- Wärmetauscher aus mehreren parallelen oder gewendelten Röhren besteht.